Черная дыра - факты и гипотезы
Тема 66 – «Черная дыра - факты и гипотезы».
План.
Введение
1. История открытия черных дыр.
2. Формирование черных дыр.
3. Свойства черных дыр.
- Поиски черных дыр.
Список литературы.
Введение
Из всех измышлений человеческого ума, от единорогов и химер до водородной бомбы, наверное, самое фантастическое — это образ черный дыры, отделенной от остального пространства определенной границей, которую ничто не может пересечь; дыры, обладающей настолько сильным гравитационным полем, что даже свет задерживается его мертвой хваткой; дыры, искривляющей пространство и тормозящей время. Подобно единорогам и химерам, черная дыра кажется более уместной в фантастических романах или в мифах древности, чем в реальной Вселенной. И, тем не менее, законы современной физики фактически требуют, чтобы черные дыры существовали. Возможно, только наша Галактика содержит миллионы их” — так сказал о черных дырах американский физик К. Торн.
К этому следует добавить, что внутри черной дыры удивительным образом меняются свойства пространства и времени, закручивающихся в своеобразную воронку, а в глубине находится граница, за которой время и пространство распадаются на кванты... Внутри черной дыры, за краем этой своеобразной гравитационной бездны, откуда нет выхода, текут удивительные физические процессы, проявляются новые законы природы.
Чем
таинственней загадка, чем глубже проблема,
тем больший интерес она
1. История открытия черных дыр.
Имя П. Лапласа хорошо известно в истории науки. Прежде всего он является автором огромного пятитомного труда “Трактат о небесной механике”. В этой работе, публиковавшейся с 1798 по 1825 год, им была представлена классическая теория движения тел Солнечной системы, основанная только на законе всемирного тяготения Ньютона. До этой работы некоторые наблюдаемые особенности движения планет, Луны, других тел Солнечной системы не были полностью объяснены. Казалось даже, что они противоречат закону Ньютона. П. Лаплас тонким математическим анализом показал, что все эти особенности объясняются взаимным притяжением небесных тел, влиянием тяготения планет друг на друга. Только одна сила царит в небесах, провозглашал он, — это сила тяготения. “Астрономия, рассматриваемая с наиболее общей точки зрения, есть великая проблема механики”, — писал П. Лаплас в предисловии к своему “Трактату”. Кстати, сам термин “небесная механика”, так прочно вошедший в науку, был впервые употреблен им.
П.
Лаплас был также одним из первых,
кто понял необходимость
Главная идея гипотезы Лапласа о конденсации Солнца и планет из газовой туманности и до сих пор служит основой современных теорий происхождения Солнечной системы...
Обо
всем этом много писалось в литературе
и в учебниках точно так
же, как и о гордых словах П. Лапласа,
который в ответ на вопрос Наполеона:
почему в его “Небесной механике”
не упоминается бог? — сказал: “Я
не нуждаюсь в этой гипотезе”.
А вот о чем до последнего времени было мало известно, — это о предсказании им возможности существования невидимых звезд.
Предсказание было сделано в его книге “Изложение систем мира”, вышедшей в 1795 году. В этой книге, которую мы бы сегодня назвали популярной, знаменитый математик ни разу не прибегнул к формулам и чертежам. Глубокое убеждение П. Лапласа в том, что тяготение действует на свет точно так же, как и на другие тела, позволило ему написать следующие знаменательные слова:
“Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми”.
В книге не приводилось доказательств этого утверждения. Оно было опубликовано им несколько лет спустя.
Как рассуждал П. Лаплас? Он рассчитал, пользуясь теорией тяготения Ньютона, величину, которую мы теперь называем второй космической скоростью, на поверхности звезды. Это та скорость, которую надо придать любому телу, чтобы оно, поборов тяготение, навсегда улетело от звезды или планеты в космическое пространство. Если начальная скорость тела меньше второй космической, то силы тяготения затормозят и остановят движение тела и заставят его снова падать к тяготеющему центру. В наше время космических полетов каждый знает, что вторая космическая скорость на поверхности Земли равна 11 километрам в секунду. Вторая космическая скорость на поверхности небесного тела тем больше, чем больше масса и чем меньше радиус этого тела. Эю понятно: ведь с ростом массы тяготение увеличивается, а с ростом расстояния от центра оно ослабевает.
На поверхности Луны вторая космическая скорость равна 2,4 километра в секунду, на поверхности Юпитера 61 км/c, на Солнце — 620 км/c, а на поверхности так называемых нейтронных звезд, которые по массе примерно такие же, как Солнце, но имеют радиус всего в десять километров, эта скорость достигает половины скорости света — 150 тысяч километров в секунду.
Представим себе, рассуждал П. Лаплас, что мы возьмем небесное тело, на поверхности которого вторая космическая скорость уже превышает скорость света. Тогда свет от такой звезды не сможет улететь в космос из-за действия тяготения, не сможет достичь далекого наблюдателя и мы не увидим звезду, несмотря на то, что она излучает свет!
Это было блестящим предвидением одного из свойств чёрной дыры — не выпускать свет, быть невидимой. Справедливости ради надо отметить, что П. Лаплас был не единственным ученым и формально даже не самым первым, кто сделал подобное предсказание. Сравнительно недавно выяснилось, что в 1783 году с аналогичным утверждением выступал английский священник и геолог, один из основателей научной сейсмологии, Дж. Митчелл. Его аргументация была очень похожа на аргументацию П. Лапласа.
Но предвидение П. Лапласа и Дж. Митчелла еще не было настоящим предсказанием черной дыры. Почему?
Дело
в том, что во времена П Лапласа
еще не было известно, что быстрее
света в природе ничто не может
двигаться. Обогнать свет в пустоте нельзя!
Это было установлено А Эйнштейном в специальной
теории относительности уже в нашем веке.
Поэтому для П. Лапласа рассматриваемая
им звезда была только черной (несветящейся),
и он не мог знать, что такая звезда теряет
способность вообще как-либо “общаться”
с внешним миром, что-либо “сообщать”
далеким мирам о происходящих на ней событиях.
Иными словами, он еще не знал, что это
не только “черная”, но и “дыра”, в которую
можно упасть, но невозможно выбраться.
Теперь мы знаем, что если из какой-то области
пространства не может выйти свет, то,
значит, и вообще ничто не может выйти,
и такой объект мы называем черной дырой.
Во второй раз ученые «столкнулись» с черными дырами в 1916, когда немецкий астроном Карл Шварцшильд получил первое точное решение уравнений только что созданной тогда Альбертом Эйнштейном релятивистской теории гравитации – общей теории относительности (ОТО). Оказалось, что пустое пространство вокруг массивной точки обладает особенностью на расстоянии rg от нее; именно поэтому величину rg часто называют «шварцшильдовским радиусом», а соответствующую поверхность (горизонт событий) – шварцшильдовской поверхностью. В следующие полвека усилиями теоретиков были выяснены многие удивительные особенности решения Шварцшильда, но как реальный объект исследования черные дыры еще не рассматривались.
Правда,
в 1930-е, после создания квантовой
механики и открытия нейтрона, физики
исследовали возможность
В 1934 работавшие в США европейские астрономы Фриц Цвикки и Вальтер Бааде выдвинули гипотезу – вспышки сверхновых представляют собой совершенно особый тип звездных взрывов, вызванных катастрофическим сжатием ядра звезды. Так впервые родилась идея о возможности наблюдать коллапс звезды. Бааде и Цвикки высказали предположение, что в результате взрыва сверхновой образуется сверхплотная вырожденная звезда, состоящая из нейтронов. Расчеты показали, что такие объекты действительно могут рождаться и быть устойчивыми, но лишь при умеренной начальной массе звезды. Но если масса звезды превышает три массы Солнца, то уже ничто не сможет остановить ее катастрофического коллапса.
В 1939 американские физики Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер обосновали вывод, что ядро массивной звезды должно безостановочно коллапсировать в предельно малый объект, свойства пространства вокруг которого (если он не вращается) описываются решением Шварцшильда. Иными словами, ядро массивной звезды в конце ее эволюции должно стремительно сжиматься и уходить под горизонт событий, становясь черной дырой. Но поскольку такой объект (как говорили тогда, «коллапсар», или «застывшая звезда») не излучает электромагнитные волны, то астрономы понимали, что обнаружить его в космосе будет невероятно трудно и поэтому долго не приступали к поиску.
Поскольку
никакой носитель информации не способен
выйти из-под горизонта
2. Формирование черных дыр.
Самый очевидный путь образования черной дыры – коллапс ядра массивной звезды. Пока в недрах звезды не истощился запас ядерного топлива, ее равновесие поддерживается за счет термоядерных реакций (превращение водорода в гелий, затем в углерод, и т.д., вплоть до железа у наиболее массивных звезд). Выделяющееся при этом тепло компенсирует потерю энергии, уходящей от звезды с ее излучением и звездным ветром. Термоядерные реакции поддерживают высокое давление в недрах звезды, препятствуя ее сжатию под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается и звезда начинает сжиматься.
Наиболее быстро сжимается ядро звезды, при этом оно сильно разогревается (его гравитационная энергия переходит в тепло) и нагревает окружающую его оболочку. В итоге звезда теряет свои наружные слои в виде медленно расширяющейся планетарной туманности или катастрофически сброшенной оболочки сверхновой. А судьба сжимающегося ядра зависит от его массы. Расчеты показывают, что если масса ядра звезды не превосходит трех масс Солнца, то она «выигрывает битву с гравитацией»: его сжатие будет остановлено давлением вырожденного вещества, и звезда превратится в белый карлик или нейтронную звезду. Но если масса ядра звезды более трех солнечных, то уже ничто не сможет остановить его катастрофический коллапс, и оно быстро уйдет под горизонт событий, став черной дырой. Как следует из формулы для rg, черная дыра с массой 3 солнечных имеет гравитационный радиус 8,8 км.
Астрономические наблюдения хорошо согласуются с этими расчетами: все компоненты двойных звездных систем, проявляющие свойства черных дыр (в 2005 их известно около 20), имеют массы от 4 до 16 масс Солнца. Теория звездной эволюции указывает, что за 12 млрд. лет существования нашей Галактики, содержащей порядка 100 млрд. звезд, в результате коллапса наиболее массивных из них должно было образоваться несколько десятков миллионов черных дыр. К тому же, черные дыры очень большой массы (от миллионов до миллиардов масс Солнца)могут находиться в ядрах крупных галактик, в том числе, и нашей. Об этом свидетельствуют астрономические наблюдения, хотя пути формирования этих гигантских черных дыр не вполне ясны.
Если в нашу эпоху высокая плотность вещества, необходимая для рождения черной дыры, может возникнуть лишь в сжимающихся ядрах массивных звезд, то в далеком прошлом, сразу после Большого взрыва, с которого около 14 млрд. лет назад началось расширение Вселенной, высокая плотность материи была повсюду. Поэтому небольшие флуктуации плотности в ту эпоху могли приводить к рождению черных дыр любой массы, в том числе и малой. Но самые маленькие из них в силу квантовых эффектов должны были испариться, потеряв свою массу в виде излучения и потоков частиц. «Первичные черные дыры» с массой более 1012 кг могли сохраниться до наших дней. Самые мелкие из них, массой 1012 кг (как у небольшого астероида), должны иметь размер порядка 10–15 м (как у протона или нейтрона).
Наконец,
существует гипотетическая возможность
рождения микроскопических черных дыр
при взаимных соударениях быстрых элементарных
частиц. Таков один из прогнозов теории
струн – одной из конкурирующих сейчас
физических теорий строения материи. Теория
струн предсказывает, что пространство
имеет более трех измерений. Гравитация,
в отличие от прочих сил, должна распространяться
по всем этим измерениям и поэтому существенно
усиливаться на коротких расстояниях.
При мощном столкновении двух частиц (например,
протонов) они могут сжаться достаточно
сильно, чтобы родилась микроскопическая
черная дыра. После этого она почти мгновенно
разрушится («испарится»), но наблюдение
за этим процессом представляет для физики
большой интерес, поскольку, испаряясь,
дыра будет испускать все существующие
в природе виды частиц. Если гипотеза теории
струн верна, то рождение таких черных
дыр может происходить при столкновениях
энергичных частиц космических лучей
с атомами земной атмосферы, а также в
наиболее мощных ускорителях элементарных
частиц.
3. Свойства черных дыр.
Вблизи черной дыры напряженность гравитационного поля так велика, что физические процессы там можно описывать только с помощью релятивистской теории тяготения. Согласно ОТО, пространство и время искривляются гравитационным полем массивных тел, причем наибольшее искривление происходит вблизи черных дыр. Когда физики говорят об интервалах времени и пространства, они имеют в виду числа, считанные с каких-либо физических часов и линеек. Например, роль часов может играть молекула с определенной частотой колебаний, количество которых между двумя событиями можно называть «интервалом времени».
Важно, что гравитация действует на все физические системы одинаково: все часы показывают, что время замедляется, а все линейки, что пространство растягивается вблизи черной дыры. Это означает, что черная дыра искривляет вокруг себя геометрию пространства и времени. Вдали от черной дыры это искривление мало, а вблизи так велико, что лучи света могут двигаться вокруг нее по окружности. Вдали от черной дыры ее поле тяготения в точности описывается теорией Ньютона для тела такой же массы, но вблизи гравитация становится значительно сильнее, чем предсказывает ньютонова теория.
Если бы можно было наблюдать в телескоп за звездой в момент ее превращения в черную дыру, то сначала было бы видно, как звезда все быстрее и быстрее сжимается, но по мере приближения ее поверхности к гравитационному радиусу сжатие начнет замедляться, пока не остановится совсем. При этом приходящий от звезды свет будет слабеть и краснеть пока окончательно не потухнет. Это происходит потому, что, преодолевая силу тяжести, фотоны теряют энергию и им требуется все больше времени, чтобы дойти до нас. Когда поверхность звезды достигнет гравитационного радиуса, покинувшему ее свету потребуется бесконечное время, чтобы достичь любого наблюдателя, даже расположенного сравнительно близко к звезде (и при этом фотоны полностью потеряют свою энергию). Следовательно, мы никогда не дождемся этого момента и, тем более, не увидим того, что происходит со звездой под горизонтом событий, но теоретически этот процесс исследовать можно.
Расчет идеализированного сферического коллапса показывает, что за короткое время вещество под горизонтом событий сжимается в точку, где достигаются бесконечно большие значения плотности и тяготения. Такую точку называют «сингулярностью». Более того, математический анализ показывает, что если возник горизонт событий, то даже несферический коллапс приводит к сингулярности. Однако, все это верно лишь в том случае, если общая теория относительности применима вплоть до очень малых пространственных масштабов, в чем пока нет уверенности. В микромире действуют квантовые законы, а квантовая теория гравитации еще не создана. Ясно, что квантовые эффекты не могут остановить сжатие звезды в черную дыру, а вот предотвратить появление сингулярности они могли бы.
Изучая
фундаментальные свойства материи
и пространства-времени, физики считают
исследование черных дыр одним из
важнейших направлений, поскольку
вблизи черных дыр проявляются скрытые
свойства гравитации. Для поведения вещества
и излучения в слабых гравитационных полях
различные теории тяготения дают почти
неразличимые прогнозы, однако в сильных
полях, характерных для черных дыр, предсказания
различных теорий существенно расходятся,
что дает ключ к выявлению лучшей среди
них. В рамках наиболее популярной сейчас
теории гравитации – ОТО Эйнштейна –
свойства черных дыр изучены весьма подробно.
Вот некоторые важнейшие из них:
1) Вблизи
черной дыры время течет
2) Каким
бы сложным ни было исходное
тело, после его сжатия в черную дыру внешний
наблюдатель может определить только
три его параметра: полную массу, момент
импульса (связанный с вращением) и электрический
заряд. Все остальные особенности тела
(форма, распределение плотности, химический
состав и т.д.)в ходе коллапса «стираются».
То, что для стороннего наблюдателя структура
черной дыры выглядит чрезвычайно простой,
Джон Уилер выразил шутливым утверждением:
«Черная дыра не имеет волос».
В процессе
коллапса звезды в черную дыру за малую
долю секунды (по часам удаленного наблюдателя)
все ее внешние особенности, связанные
с исходной неоднородностью, излучаются
в виде гравитационных и электромагнитных
волн. Образовавшаяся стационарная черная
дыра «забывает» всю информацию об исходной
звезде, кроме трех величин: полной массы,
момента импульса (связанного с вращением)
и электрического заряда. Изучая черную
дыру, уже невозможно узнать, состояла
ли исходная звезда из вещества или антивещества,
была ли она вытянутой или сплюснутой
и т.п. В реальных астрофизических условиях
заряженная черная дыра будет притягивать
к себе из межзвездной среды частицы противоположного
знака, и ее заряд быстро станет нулевым.
Оставшийся стационарный объект либо
будет невращающейся «шварцшильдовой
черной дырой», которая характеризуется
только массой, либо вращающейся «керровской
черной дырой», которая характеризуется
массой и моментом импульса.
3) Если
исходное тело вращалось, то
вокруг черной дыры
Чем ближе
мы подходим к горизонту черной дыры,
тем сильнее становится эффект увлечения
«вихревым полем». Прежде чем достичь
горизонта, мы окажемся на поверхности,
где увлечение становится настолько
сильным, что ни один наблюдатель не может
оставаться неподвижным (т. е. быть «статическим»)
относительно далеких звезд. На этой поверхности
(называемой пределом статичности) и внутри
нее все объекты должны двигаться по орбите
вокруг черной дыры в том же направлении,
в котором вращается сама дыра. Независимо
от того, какую мощность развивают его
реактивные двигатели, наблюдатель внутри
предела статичности никогда не сможет
остановить свое вращательное движение
относительно далеких звезд.
Предел
статичности всюду лежит вне
горизонта и соприкасается с
ним лишь в двух точках, там, где
они оба пересекаются с осью вращения
черной дыры. Область пространства-времени,
расположенная между горизонтом
и пределом статичности, называется
эргосферой. Объект, попавший в эргосферу,
еще может вырваться наружу. Поэтому, хотя
черная дыра «все съедает и ничего не отпускает»,
тем не менее, возможен обмен энергией
между ней и внешним пространством. Например,
пролетающие через эргосферу частицы
или кванты могут уносить энергию ее вращения.
4) Все
вещество внутри горизонта
5) Кроме
этого С.Хоукинг открыл
4. Поиски черных дыр.
Расчеты в рамках ОТО указывают лишь на возможность существования черных дыр, но отнюдь не доказывают их наличия в реальном мире, открытие черной дыры стало бы важным шагом в развитии физики. Поиск изолированных черных дыр в космосе невероятно труден: требуется заметить маленький темный объект на фоне космической черноты. Но есть надежда обнаружить черную дыру по ее взаимодействию с окружающими астрономическими телами, по ее характерному влиянию на них.
Учитывая важнейшие
свойства черных дыр (массивность, компактность
и невидимость) астрономы постепенно
выработали стратегию их поиска. Проще
всего обнаружить черную дыру по ее
гравитационному взаимодействию с окружающим
веществом, например, с близкими звездами.
Попытки обнаружить невидимые массивные
спутники в двойных звездах не увенчались
успехом. Но после запуска на орбиту рентгеновских
телескопов выяснилось, что черные дыры
активно проявляют себя в тесных двойных
системах, где они отбирают вещество у
соседней звезды и поглощают его, нагревая
при этом до температуры в миллионы градусов
и делая его на короткое время источником
рентгеновского излучения.
Поскольку в
двойной системе черная дыра в
паре с нормальной звездой обращается
вокруг общего центра массы, используя
эффект Доплера, удается измерить скорость
звезды и определить массу ее невидимого
компаньона. Астрономы выявили уже
несколько десятков двойных систем,
где масса невидимого компаньона превосходит
3 массы Солнца и заметны характерные проявления
активности вещества, движущегося вокруг
компактного объекта, например, очень
быстрые колебания яркости потоков горячего
газа, стремительно вращающегося вокруг
невидимого тела.
Особенно перспективной считают рентгеновскую двойную звезду V404 Лебедя, масса невидимого компонента которой оценивается не менее, чем в 6 масс Солнца. Другие кандидаты в черные дыры находятся в двойных системах Лебедь X-1, LMC X-3, V616 Единорога, QZ Лисички, а также в рентгеновских новых Змееносец 1977, Муха 1981 и Скорпион 1994. Почти все они расположены в пределах нашей Галактики, а система LMC X-3 – в близкой к нам галактике Большое Магелланово Облако.
Другим направлением поиска черных дыр служит изучение ядер галактик. В них скапливаются и уплотняются огромные массы вещества, сталкиваются и сливаются звезды, поэтому там могут формироваться сверхмассивные черные дыры, превосходящие по массе Солнце в миллионы раз. Они притягивают к себе окружающие звезды, создавая в центре галактики пик яркости. Они разрушают близко подлетающие к ним звезды, вещество которых образует вокруг черной дыры аккреционный диск и частично выбрасывается вдоль оси диска в виде быстрых струй и потоков частиц. Это не умозрительная теория, а процессы, реально наблюдаемые в ядрах некоторых галактик и указывающие на присутствие в них черных дыр с массами до нескольких миллиардов масс Солнца. В последнее время получены весьма убедительные доказательства того, что и в центре нашей Галактики есть черная дыра с массой около 2,5 млн масс Солнца.
Вполне
вероятно, что самые мощные процессы
энерговыделения во Вселенной происходят
с участием черных дыр. Именно их считают
источником активности в ядрах квазаров
– молодых массивных галактик. Именно
их рождение, как полагают астрофизики,
знаменуется самыми мощными взрывами
во Вселенной, проявляющимися как гамма-всплески.
Список литературы
1. Новиков И.Д. Черные дыры и Вселенная. М., Молодая гвардия, 1985
2. Черепащук А.М. Поиски черных дыр. – Успехи физических наук, 2003, т.173, № 4
3. Хокинг С. Краткая история времени: от Большого взрыва до чёрных дыр, 2001
4. Хокинг С. Чёрные дыры и молодые вселенные, 2001.
5. Черепащук. А.М. Чёрные дыры во Вселенной. — Век 2, 2005. — 64 с.
6. Жан-Пьер Люмине. Чёрные дыры: Популярное введение, 2005.
